Spalanie odosobnionego ziarna węgla w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 120

1994 Nr kol. 1260

Zbigniew BIS, W ładysław GAJEW SKI

Instytut M aszyn Cieplnych, Politechnika Częstochowska Henryk RADOMIAK

Katedra Pieców Przemysłowych, Politechnika Częstochowska

SPALANIE ODOSOBNIONEGO ZIARNA WĘGLA W CYRKULACYJNEJ WARSTWIE FLU ID A LN E J

S tr e sz c z e n ie . W pracy przedstaw iono w yniki b a d ań sp alania odo

sobnionego zia rn a węgla w w aru n k ach zbliżonych do cyrkulacyjnej w a r

stw y fluidalnej.

COMBUSTION OF A SINGLE COAL PARTICLE IN A CFB

Sum m ary. The experim ental resu lts of com bustion of a single coal particle in conditions sim ilar to those in a CFB w ere presented. It was found th a t th e combustion process of coal particles increases w hen compare w ith combustion in p u re air.

VERBRENNUNG DES VEREINZELTEN KOHLEKORNS IN DER ZWSF Z u sa m m en fassu n g . In der A rbeit sind die V erbrennungsergebnisse des vereinzelten K ohlenkorns in B edingungen an g e n äh e rte n dem zirkullieenden F lu idalbett vorgestellt.

1. WSTĘP

Zastosowanie cyrkulacyjnej w arstw y fluidalnej (CWF) do sp alan ia różnego rodzaju paliw pozwoliło rozwiązać wiele problemów dotyczących ochrony śro

dowiska oraz podnieść wydajność i efektywność kotła. S tru k tu ra przepływ u w CWF charakteryzuje się występow aniem cyrkułacyjnego przepływ u ziaren m ateriału sypkiego w układzie kom ora spalan ia, „gorący cyklon”, uk ład n a wrotu, kom ora spalania. N a ten cyrkulacyjny przepływ n a k ła d a się chaotycz

ny ruch ziaren i ich aglom eratów wynikający m .in. ze zm iennej koncentracji m ateriału sypkiego w p rzestrzen i komory spalania.

(2)

48 Zbigniew Bis, W ładysław Gajewski, Henryk Radomiak

N iniejsza praca stanow i podsum ow anie pewnego etap u prac n a d pozna

niem m echanizm u i kinetyki spalan ia ziaren węgla w w aru n k ach CWF.

2. WARUNKI SPALANIA ODOSOBNIONEGO ZIARNA WĘGLA W CWF Kotły z cyrkulacyjną w arstw ą flu idaln ą można podzielić n a dwie grupy:

— kotły z CWF utw orzoną z ziaren m ateriału sypkiego o w ąskim przedziale średnic,

- kotły z CWF utw orzoną z ziaren m ateriału sypkiego o szerokim składzie frakcyjnym.

Pierw szą grupę rep rezen tu ją np. kotły Pyropower, dru g ą zaś kotły MSFB (M ulti Solid Fluidized Bed) [3, 5]. Te ostatnie w yróżniają się dodatkiem do w arstw y ceramicznych kul o średnicy 10 + 15 mm. Do palenisk tego rodzaju kotłów m ogą być wprow adzane ziarn a węgla o średnicy do 50 mm. Cyrkulują- cy drobny m ateriał inertny m a średnice ziaren m ieszczące się w przedziale 50 500 pm. Tworząca się w tych w aru n k ach w dolnej części paleniska gęsta w arstw a stanow i m ieszaninę w szystkich wym ienionych rodzajów ziaren. Jej obecność przyczynia się do popraw y stabilności procesu sp alania oraz wydłuża czas pobytu drobnych ziaren węgla w komorze spalania.

W szystkie konstrukcje kotłów cechuje cyrkułacyjny przepływ fazy stałej, łącznie z płonącymi ziarnam i węgla, które wchodząc do u k ład u naw rotu, w skutek b rak u tlen u oraz ew entualnego schłodzenia [5] przerw ą proces spa

lania, by następnie, po powtórnym wejściu do komory spalania, ponownie go kontynuować. Ten cyrkułacyjny ruch z iarn a węgla powoduje, że proces jego sp alan ia przybiera cechy procesu cyklicznego, polegającego n a wielokrotnym jego nagrzew aniu, zapalaniu, chłodzeniu i gaszeniu. Cyrkułacyjny przepływ ziaren inertnego m ateriału sypkiego zm ienia także w aru n k i ruch u „grubych”

ziaren węgla wprowadzanych do paleniska [1, 2, 5, 7], co wykorzystano w konstrukcji kotłów MSFB. W zajemne zderzenia obu frakcji - płonących ziaren węgla i drobnych ziaren m ateriału inertnego - sprzyjają z jednej strony popraw ie w arunków w ym iany ciepła pomiędzy ziarnem węgla a jego otocze

niem [6], z drugiej zaś zm ieniają jego prędkość unoszenia n a tyle, że poddaje się ono cyrkulacyjnem u przepływowi całej m asy m ate ria łu sypkiego i łatwiej rozpada się n a drobniejsze frakcje.

Niewątpliwie te wyspecyfikowane wyżej czynniki nie pozostają bez wpływu n a przebieg procesu spalania. Ocenie wpływu tych czynników n a proces spa

lan ia ziarn a węgla poświęcono opisane dalej badania.

(3)

Spalanie odosobnionego ziarna węgla. 49

3. SPALANIE ODOSOBNIONEGO ZIARNA WĘGLA W STRUM IENIU POWIETRZA UNOSZĄCEGO DROBNE ZIARNA MATERIAŁU INERTNEGO

Zasadniczym celem tej części b a d ań było określenie wpływu n a proces spalania zia rn a węgla, w arunków fizycznych w ystępujących podczas jego opływu strum ieniem dwufazowym (powietrze + drobne z ia rn a m ateriału inertnego). B adania te podzielono n a trz y zasadnicze etapy:

1) spalanie w stru m ien iu czystego pow ietrza,

2) spalanie w stru m ien iu pow ietrza unoszącego z ia rn a m a te ria łu inertnego, 3) spalanie z cyklicznym nagrzew aniem i chłodzeniem ziarna.

Stanowisko badawcze i m etodyka b ad ań zostały szczegółowo opisane w pracy [5]. Rozm iar ziaren węgla użytych w badan iach m ieścił się w przedziale dc = 0,006 -5- 0,01 m i m asach m 0 = 3 ■ 1CT4 + 6 ■ 10-4 kg. Ś redn ią prędkość przepływu pow ietrza utrzym yw ano w zakresie 9,4 + 9,8 m/s. Ja k o m ateriału inertnego użyto p iask u kwarcowego o średniej średnicy df = 184 • 10-6 m.

Jednostkowy stru m ień m asy cyrkulującego p iask u wynosił Gs = 62 kg/(m2s).

Spalany węgiel cechowały następujące p aram etry:

- wartość opałowa — 31000 kJ/kg, - zawartość części lotnych - 31%,

- zawartość wilgoci - 2,0%, - zawartość węgla - 59,5%.

B adania rozpoczęto od sp alan ia ziaren węgla w czystym pow ietrzu przepły

wającym z p odaną wyżej prędkością. Przykładowy, typowy przebieg zm ian masy płonącego z iarn a oraz tem p e ra tu ry jego powierzchni p rzedstaw ia rys. 1.

Dane podobne do tych, które p rez e n tu ją rys. 1 i 2, zebrane dla innych rozm ia

rów ziaren, posłużyły jako odniesienie do porów nania z podobnymi zależno

ściami uzyskanym i w przypadku sp alan ia w stru m ien iu dwufazowym. Przy

kładowe przebiegi zm ian m asy i te m p e ra tu ry z iarn a w ęgla spalanego w t a kich w aru nk ach p rezentuje rys. 2. Podobnie ja k n a rys. 1 m ożna tu wyróżnić charakterystyczne etapy procesu spalania. Zasadnicza różnica dotyczy czasu trw ania poszczególnych etapów, szybkości u b ytku m asy oraz w zrostu tem pe

ratu ry powierzchni ziarna. N a rys. 3 zestawiono ze sobą przebiegi zm ian ubytku m asy podobnych ziaren w ęgla spalanych w stru m ie n iu czystego po

w ietrza (linia 1) oraz stru m ieniu dwufazowym (linia 2), n a to m ia st rys. 4 prezentuje podobne zestaw ienie dla te m p e ra tu r pow ierzchni obu ziaren.

Porów nanie to wykazuje zróżnicowany przebieg odpowiednich zależności w różnych etap ach procesu spalania. N agrzew anie, zapłon i u tr a ta m asy w sku

tek wychodzenia części lotnych n astęp u je w yraźnie szybciej w strum ien iu dwufazowym. J e s t to sk u tek zdecydowanie wyższej szybkości nagrzew ania ziarna w tych w arunkach. W edług pracy [6] w spółczynnik przejm ow ania ciepła przy opływie ciał strum ieniem dwufazowym w z ra sta n aw et o rząd

(4)

Rys. 1. Spalanie ziarna węgla w strum ieniu powietrza: a) ubytek m asy, b) te m p e ra tu ra po

wierzchni. I - nagrzew anie i zapłon, II - spalanie części lotnych, III - spalanie pozostało

ści koksowej

Fig. 1. Coal combustion in air flow: a) m ass loss, b) surface te m p eratu re. I - h e a tin g and ignition, II - volatile m a tte r combustion, III - coke com bustion

(5)

Spalanie odosobnionego ziarna węgla.. 51

Rys. 2. S palanie ziarna węgla w stru m ie n iu pow ietrza unoszącego drobne ziarn a m ateriału sypkiego: a) ubytek m asy, b) te m p e ra tu ra powierzchni. I - nagrzew anie i zapłon, II - sp a

lanie części lotnych, III - spalanie pozostałości koksowej, IV - rozpad ziarna Fig. 2. Com bustion of a coal particle in a ir tran sp o rtin g in e rt particles: a) m ass loss, b) surface tem p eratu re. I - h ea tin g an d ignition, II - volatile m a tte r com bustion, III - coke

combustion, IV - fragm entation of a coal p article

(6)

Rys. 3. Zm iany ubytku m asy podczas spalania ziarna w stru m ie n iu pow ietrza (linia 1) oraz w przepływ ie dwufazowym (linia 2)

Fig. 3. Changes of th e m ass loss in a ir (curve 1) and in two - p hase flow (curve 2)

wielkości w porów naniu z przepływem czystego gazu. Je d n a k popraw a w a ru n ków w ym iany ciepła powoduje także bardziej intensyw ny odbiór ciepła od płonącego ziarna, co powoduje, że jego te m p e ra tu ra w yraźnie obniża się w porów naniu do opływu czystym powietrzem (rys. 4). N iższa tem p e ra tu ra pozostałości koksowej to oczywiście dłuższy czas jej w ypalania się, co w yraźnie widoczne je s t n a rys. 3.

N ależy także podkreślić fak t często występującego zjaw iska rozpadu ziarna węgla spalanego w strum ieniu dwufazowym. Najprawdopodobniej je s t to sku te k oddziaływania n a płonące ziarn a węgla dodatkowej siły wynikającej ze zm iany pędu uderzających w jego powierzchnię drobnych ziaren m ateriału inertnego [5],

O statn ia część badań, szczegółowo opisanych w pracy [5], poświęcona była spalaniu ziarn a węgla w w arun k ach cyklicznego nagrzew ania i chłodzenia.

Realizacja takiego procesu polegała n a naprzem iennym w prow adzaniu ziarna węgla do komory spalania n a okres 8 10 s, po czym ziarno wyprowadzano z kom ory i gaszono w strum ieniu C 0 2 przez te n sam okres. Przebieg zm ian

(7)

Rys. 4. Zm iany te m p eratu ry pow ierzchni ziarna spalanego w stru m ie n iu pow ietrza (linia 1) oraz stru m ien iu dwufazowym (linia 2)

Fig. 4. Changes of th e particle surface te m p e ra tu re in a ir (curve 1) a n d in two — p hase flow (curve 2)

masy z iarn a w ęgla spalanego w tak ich w aru n k ach oraz te m p e ra tu ry jego powierzchni p rzedstaw ia rys. 5. N ależy zwrócić uw agę n a fakt, że poza pier

wszym cyklem, w pozostałych ziarno nie było schładzane do te m p e ra tu ry otoczenia. M aksym alna w artość am plitudy zm ian te m p e ra tu ry powierzchni ziarna wynosiła Tmax - Tmin = 400 K. Taki c h a ra k te r zm ian tem p e ra tu ry po

wierzchni z iarn a powodował, że w okresie w ychodzenia i sp alan ia części lotnych m asa ziarna stale zm niejszała się mimo gaszenia ziarn a. Dopiero w okresie sp alan ia pozostałości koksowej przerw y w u by tku m asy pokryw ają się z okresam i gaszenia.

Aby ocenić dynam ikę ubytku m asy z ia rn a spalanego w tych w arunkach, dokonano porów nania widocznego n a rys. 6. Do tego zestaw ienia w ybrano tylko zm iany m asy w tych okresach, gdy ziarno przebyw ało w kom orze sp ala

nia (tzw. efektywne spalanie). Zestaw ienie to w ykazuje, że periodyczny proces spalania przyspiesza proces wychodzenia części lotnych (nie oznacza to ich spalania). W skutek średnio obniżonej te m p e ra tu ry z ia rn a (rys. 7), będącej następstw em każdorazowego n agrzew ania po uprzednim chłodzeniu, całkowi

ty czas spalan ia ulega wydłużeniu.

(8)

Rys. 5. Spalanie ziarn a w ęgla w w aru n k ach cyklicznego n agrzew ania i chłodzenia (H -nagrzew anie, C-chlodzenie)

Fig. 5. Periodical com bustion of a single coal p article (H -h ea tin g , C-caoling)

(9)

Rys. 6. Porów nanie w arunków sp alan ia ciągłego (linia 1) i cyklicznego (linia 2). Zm iana ubytku m asy

Fig. 6. Com parison of com bustion conditions in th e continuous (curve 1) and th e in te rm itte n t process (curve 2). C hanges of m ass loss

4. WNIOSKI

Przeprow adzone bad an ia oraz an aliza ich wyników pozw alają sformułować następujące wnioski:

1) Czas nagrzew ania ziaren węgla w w arun k ach opływu gorącym stru m ie

niem dwufazowym ulega skróceniu co najm niej o połowę w porów naniu ze spalaniem w stru m ien iu czystego pow ietrza.

2) Obecność drobnych ziaren m ate ria łu inertnego zm ienia tem p e ra tu rę za

płonu ziarn a węgla, k tó ra m ieściła się w przedziale 973 + 1020 K. Zaobser

wowano niew ielki w zrost tem p e ra tu ry zapłonu w przypadku stru m ien ia dwufazowego.

3) W początkowym okresie wychodzenia i sp alan ia części lotnych szybkość ubytku m asy zia rn a węgla podczas opływu stru m ien iem dwufazowym jest w yraźnie wyższa. Jed n ak że w skutek bardziej intensyw nego chłodzenia zia rn a w trak cie sp alania pozostałości koksowej szybkość jego w ypalania

(10)

Rys. 7. Porów nanie w arunków sp alan ia ciągłego (linia 1) i cyklicznego (linia 2). Zm iana te m p eratu ry pow ierzchni ziarna

Fig. 7. Com parison of com bustion conditions in th e continuous (curve 1) and in te rm itte n t process (curve 2). Changes of th e particle surface te m p eratu re

się w tym okresie w yraźnie obniża się, co prowadzi do w ydłużenia całkowi

tego czasu spalania.

4) T em peratura powierzchni ziarn a podczas jego sp alania w strum ieniu dwu

fazowym je s t co najm niej o 200 - 250 K niższa w porów naniu ze spalaniem w czystym powietrzu. M aksym alna nadw yżka tem p e ra tu ry ziarn a ponad tem p eratu rę otoczenia wynosiła:

- 400 -i- 450 K - podczas spalan ia w czystym powietrzu, - 150 +■ 200 K — podczas spalan ia w strum ien iu dwufazowym.

5) Niższa tem p e ra tu ra powoduje obniżenie szybkości spalania pozostałości koksowej zarówno w ciągłym, ja k też cyklicznym procesie spalania ziarna węgla, co prowadzi ostatecznie do w ydłużenia czasu jego w ypalania się w porów naniu ze spalaniem w czystym powietrzu.

(11)

LITERATURA

[1] A rastopour A., W ang Ch.H., Weil S.A.: P article - P article Interaction Force in a D ilute Gas - Solid System . Chem. Engng. Sci. 37, 9p. 1379, 1982.

[2] Bis Z.: A erodynam ika cyrkulacyjnej w arstw y fluidalnej. M onografia 21, Politechnika Częstochowska, 1991.

[3] Bis Z., Gajewski W., Nowak W.: CFB Com bustion and H ydrodynam ic Modelling. Proc. 2nd In te rn atio n a l INTERFLU ID W ORKSHOP, Nagoya ( J a p a n ) 1994.

[4] C hakaborty R.K., H ow ard J.R.: Carbon Com bustion R ates and Tem pera

tu re s in Schallow Fluidized Beds. Chem .Eng. Com m un. 4, 705, 1980.

[5] Gajewski W. i in.: B adania kinetyki sp alan ia ziaren węgla w cyrkulacyj

nej w arstw ie fluidalnej. Spraw ozdanie z pracy B S -03-302/91, Często

chowa 1994.

[6] Linjewile T.M., A garw al K.P.: H eat T ran sfer B ehaviour and T em peratu

res of Freely Moveing B urning Carbonaceons P articles in Fluidized Beds. T w enty -T hird Sym posium (In tern atio n al) on Com bustion. The Com bustion In stitu te p. 917-925, 1990.

[7] Satija S., Fan L.S.: Term inal Velocity of Dense Particles in the Multisolid Pneum atic T ran sp o rt Bed. Chem. Engng. Sci. vol. 40, 2, p. 259, 1985.

Recenzent: Prof. d r hab. inż. T adeusz CHM IELNIAK

Wpłynęło do Redakcji 10. 08. 1994 r.

A bstract

The experim ental resu lts of com bustion of a single coal particle in conditions sim ilar to those in CFB w ere presented.

The specific featu re of a CFB com bustion process is:

- in e rt fine particles flow around a b u rn ig particle,

- periodic process of h e a tin g and cooling of a coal particle due to its circula

tion in th e CFB system .

The changes of m ass loss and surface te m p e ra tu re of b u rn ig coal particle were registered. The resu lts w ere com pared w ith those obtained in p u re air under the sam e flow conditions.

It w as found th a t th e com bustion process of coal p articles in th e CFB increases w hen compare w ith combustion in air.